測量鐵磁部件的循環運動的系統和方法
2023-06-06 07:02:41 1
專利名稱:測量鐵磁部件的循環運動的系統和方法
技術領域:
本發明總體涉及測量系統,該測量系統使用由鐵磁部件所產生的磁場來估計與該 鐵磁部件的循環運動相關的量值(速度、位置等)。更具體的說本發明涉及與鐵磁部件的旋 轉運動相關的測量。
背景技術:
使用磁場測量方式來確定汽車車輪的轉速是已知的。例如,文獻EP-A-0828161描 述了一種檢測方法和裝置,其中磁性傳感器靠近車輪設置以使用磁性傳感器的鐵磁特性並 從中推斷出車輪的轉速。為了降低靠近車輪(底盤、門等)的其它磁性源的影響,對源自於 靠近車輪設置的多個傳感器的信號進行差動測量。因此消除了源自於附近放置的固定值的 磁場源的場分量。通過磁場的測量,希望能夠提取出與汽車發動機的鐵磁部件(例如,機軸、凸輪軸 等)的轉動相關的信息。機軸或者凸輪軸的角度位置目前是通過光編碼器來確定的。這樣的編碼器必須與 使得測量值失真的泥土(soil)相隔離。這實現起來很複雜。然而,將已知的用於車輪的磁性系統轉換成對其他車輛元件的運動的評估,特別 是對發動機的轉動元件的運動的分析,是個問題,因為可變磁場(與期望進行旋轉測量的 部件的磁場相比,其具有不可忽略的振幅)幹擾測量值。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於在被其它可變電源所幹擾的環境下從鐵磁部件 發出的磁場的測量值中提取與鐵磁部件的轉動相關的信息的方法和系統。更大體上說,本發明的實施方式的目的是分析在由一個或多個可變電源產生的噪 音幹擾的環境中的鐵磁部件的循環運動。為了實現全部或部分的這些和其它目的,本發明提供了一種用於測量在受具有交 流分量的至少一種電源的噪音幹擾的環境中的鐵磁部件的循環運動的系統,包括對運動的所述部件敏感的至少一個第一磁強計;所述電源中的電流的圖像的傳感器;用於計算所述電源對所述第一磁強計測量的信號產生的噪音的估計值的裝置;以 及用於從所述測量的信號中減去所述估計值的裝置。根據本發明的實施方式,所述交流電源中的電流的圖像是其兩端的電壓。根據本發明的實施方式,所述計算裝置包含至少一個威納濾波器 (Wienerfilter)。根據本發明的實施方式,所述磁強計被設置得與所述鐵磁部件的距離比與任何其 它移動鐵磁部件的距離更近。
根據本發明的實施方式,所述系統包括靠近第二運動鐵磁部件設置的至少一個第二磁強計;用於計算所述第二部件對所述第一磁強計測量的信號產生的噪音的估計值的裝 置;以及用於從所述測量的信號中減去該估計值的裝置。根據本發明的實施方式,所述具有交流分量的所述電源是與車輛發動機相關聯的 交流發電機。根據本發明的實施方式,所述具有交流分量的電源是電動機的交變電流。本發明還提供用於估計在受具有交流分量的至少一個電源產生的噪音幹擾的環 境中的至少一個鐵磁部件的循環運動的方法,該方法包括步驟如下測量至少被所述鐵磁部件所影響的磁場的圖像;測量所述電源中的電流的圖像;對所述磁場的圖像進行關聯濾波,以消除所述電源的影響。根據本發明的一個實施方式,通過使用至少一個第二磁強計利用關聯濾波來消除 來自另一個鐵磁部件的噪音分量,所述至少一個第二磁強計與該另一個部件相關聯。本發明的前述和其他的目的、特徵和優勢將在下列結合附圖對特定實施方式的非 限制性的描述中詳細討論。
圖1是裝備有根據本發明的實施方式的系統的汽車的簡化圖,該系統用於測量發 動機的旋轉部件的運動;圖2是示例汽車的運動部件的局部簡化透視圖;圖3是示出本發明的實現模式的框圖;圖4以時序圖的形式示出了利用圖3的系統所獲得的響應的示例;以及圖5是本發明的另一實施方式的框圖。
具體實施例方式相同的部件在不同的附圖中用相同的附圖標記表示。為了清楚,僅顯示並將描述 對本發明的理解有用的那些部件和步驟。特別是,沒有詳細描述能沿著一個或多個軸線提 供信息的磁強計的實際成型,本發明能夠兼容常用的磁強計。另外,也沒有詳細描述與被 分析的循環運動相關的信息的利用,本發明在此也兼容進行循環運動的部件的測量值(速 度、位置等)的常規使用。圖1是裝備有根據本發明的實施方式的系統的汽車1的簡化的俯視圖,該系統用 於分析發動機的鐵磁部件的旋轉運動。在該示例中,期望估計出車輛的發動機2的凸輪軸(圖1中未示出)的旋轉速度。圖2是示出包含在汽車發動機2中的旋轉部件的局部透視圖。在圖2的示例中, 發動機具有兩個上部凸輪軸21和23。圖2中還顯示出了發動機的機軸25、活塞27、機軸末 端的驅動軸四、和與每個汽缸相關的進出閥31。這些部件屬於進行根據其他實施方式可被 分析的循環運動的發動機部件。驅動軸四驅動同步齒帶(未示出),同步齒帶除了嚙合其它部件,還嚙合與凸輪軸21和23相關的齒輪212和232。被驅動軸四所驅動的另一個帶 (62,圖1)用於驅動為電池7充電的交流發電機。在圖1的實施方式中,磁性傳感器42位於發動機2的架22上並靠近凸輪軸,其獲 得的信號通過連接導線44發送給解讀和分析電路5。本申請的發明人發現,由靠近發動機的旋轉鐵磁部件布置的磁強計測量的主要噪 音源來自於交流發電機,更具體來說是源自交流發電機形成為具有交流分量的電源這一事 實。而且,該交流分量可以從交流發電機兩端的電壓的測量值來確定,不必使用一個 另外的磁性傳感器進行差分測量。因此,根據本發明的實施方式,能夠從兩端電壓的測量值獲得交流發電機的電流 的圖像,並消除由交流發電機所產生的噪音對磁強計42所產生的信號影響。典型地,通過使磁強計抵靠發動機架而儘可能地靠近凸輪軸,能感應到振幅約為 一微特斯拉的場。交流發電機對該磁強計的幹擾也是相同數量級,因此不能忽略。消除由交流發電機所帶來的噪音可足以獲得有用信號。特別地,如果該磁強計足 夠靠近凸輪軸(在圖2的示例中,置於發動機的頂部),則來自於其它旋轉源的噪音可以被 忽略,且不會干擾測量。在相反的情況下,至少一個第二磁強計被用來估計一個或多個不可忽略的噪音源 的噪音。例如,如果該噪音來自於機軸,則磁強計設置成抵靠架並儘可能地靠近機軸(圖2 的示例中,位於發動機的底部)。來自該第二磁強計的信號被用來提取來自於機軸的噪音, 如下文參照圖5所看到的。圖3是本發明的實施方式的框圖,根據該實施方式,來自磁強計42的信號m通過 所謂關聯濾波的技術被提供給一濾波器,以消除由交流發電機6所產生的噪音。測量的信 號被認為被來自於從交流發電機到電池的電流的磁場所幹擾。儘管電池儲存直流電壓,然 而來自於交流發電機的電流(或者電池兩端的電壓)具有交流分量。如圖3中所示,可以認為由磁強計42測量的信號對應於表示凸輪軸的磁場的有用 信號u和源自於交流發電機的噪音信號b之和。現在,除了噪音信號m的觀察值之外,獨立於有用信號u(與有用信號不相關)的 與噪音b相關的信息可供利用。該信號對應於電池7兩端的電壓,其可以被測量,並不受 凸輪軸的磁場所影響。然後,能夠確定具有轉換函數f的濾波器8 (例如,所謂的威納濾波 器),該濾波器能夠從電池電壓a獲得噪音b的估計值eb6。接著,從測量出的信號m中減 去估計值eb6以重獲有用信號u,那麼該有用信號u僅表示通過凸輪軸所產生的磁場。轉換函數f可以被表示成f(v) =^lia(V)Aaa(V),其中Sma (ν)表示電池電壓a的觀 察值與噪音測量值m之間的交叉譜功率密度,並且Saa(V)表示信號a的平均功率譜密度。用於消除噪音的幹擾的關聯濾波技術是已知的,對於該技術,可以利用所謂 的「僅噪音(noise alone)參考」。例如可以參考由D. BAUDOIS,A. SILVENT撰寫的文 章「Application du correlofiltre『 elimination de raies en presence de bruitstationnaire,, (Septieme colloque sur Ie traitement du signal et ses applications, Nice,法國,5 月 28 日至 6 月 2 H , 1979)。圖4示出了圖3中所示的用於提取有用信號的系統的運行。表示由凸輪軸所產生的磁場的有用信號u的示例顯示在圖的上部,並且由磁強計42所測量的噪音信號m顯示在 下部。在圖3的示例中,假設了與測量的信號(在大約-0. 1 μ T和大約0. 1 μ T之間振蕩) 相關的有用信號(在大約0. 1 μ T和大約0. 25 μ T之間振蕩)的參考級的轉換。解讀有用信號u以推斷出速度、角位置、加速度以及其它信息只需要基於時間和 位置基準的信號處理。位置基準可以例如在製造時定刻度來獲得。作為變型,可以執行訓 練過禾呈(training procedure)。如果交流發電機6不永遠轉動(例如電動車的情況),則在交流發電機不運行期 間,不考慮由於交流發電機產生的噪音。圖5是另一實施方式的框圖,該實施方式示出多個磁性傳感器42和48可以靠近 不同的旋轉金屬部件設置的情況。例如,除了傳感器42靠近凸輪軸設置外,另一個傳感器 48靠近機軸05,圖幻設置,以測量機軸的角位置或者其速度。與凸輪軸的情況相同,測量 信號m的主要噪音來自於交流發電機6。因此必須對測量的信號m'進行濾波以消除從電 池電壓a的測量值估計出的噪音分量eb' 6。濾波器8』的轉換函數f』不同於凸輪軸的濾 波器8的轉換函數,因為傳感器42和48與交流發電機6相距的距離不同(還可能在不同 的方向上)。然後由電子減法器46和46'提供的有用信號u和u'被信號處理電路52和 54(SP)所使用,以便將與凸輪軸和機軸的運動相關的信息傳送到電路5,例如車載計算機。如果在濾除了由交流發電機產生的噪音後所重獲的凸輪軸的信號u仍然被另外 的鐵磁源的大量噪音所幹擾,於是可以使用該關聯濾波技術來消除該幹擾。這一功能在圖 5中用虛線表示,其中機軸被認為對與凸輪軸相關的磁強計42所測量的信號引入了不可忽 略的噪音。在這種情況下,由電子減法器46'提供的信號u'被認為表示由凸輪軸所引起 的單獨噪音分量,然後能夠利用威納濾波器f48通過與上文中所討論的相同方式進行計算 而估計出(信號eb48)其對磁強計42產生的信號的幹擾,並從測量的信號m中減去該幹擾 (電子減法器46〃 )。其它傳感器可以進一步與其他部件相關聯。本發明的優勢是,通過將磁強計靠近旋轉鐵磁部件布置,儘管存在由具有交流分 量的電源所產生的不可忽略的噪音,仍然能夠以簡單的方式獲得信息。現在可以通過磁場測量值分析發動機部件的運動,而不受發動機環境中必然存在 的幹擾的影響。另一個優勢是,僅需要基於電池電壓的測量值的信號處理即可消除交流發電機的 噪音。特別是,不需要磁強計來消除交流發電機的噪音。儘管在上文中本發明參照汽車發動機的應用進行了描述,然而其更一般地應用於 鐵磁部件是旋轉的並且所述鐵磁部件靠近具有交流分量的電源的情況。例如,在工具機的情 況下,即使所述磁場被發動機的交流電源電流所幹擾,仍能夠從磁強計所接收的磁場中提 取與發動機軸的位置和速度相關的信息。已經描述了各種實施方式。本領域技術人員能夠想到各種改變、修改和改進。特 別是,靠近鐵磁部件的磁強計的各個位置的選擇取決於期望被提取信息的部件的結構和其 環境。優選地,用於測量給定部件的磁場的磁強計與該部件的距離比其與其它任何運動鐵 磁部件的距離更近。此外,儘管本發明參照每個鐵磁部件使用單個磁強計的示例進行了描述,然而類似於在其他應用中使用多軸線測量,可以使用不同取向的多個磁強計或者多軸線磁強計, 以提取另外的信息。例如,使用在不同方向上的多個傳感器能夠實現所謂的獨立分量分析 源分離方法。例如可以參考由C. Jutten和J. Herault撰寫的、發布於Signal Processing 24 (1991) l_10_Elsevier上白勺文章「Blindseparation of sources,Part I :An adaptative algorithm based on neuromimeticarchitecture"。另外,基於上文中所給出的功能描述和通常的信號處理工具,本領域的技術人員 能夠實際實現本發明。特別是,作為示例提供的關聯濾波技術可以用其他類似的與所描述 的功能相關的信號處理技術代替,另外,信號處理可以是模擬的和/或數字的。這樣的改變、修改和改進也被認為是本公開內容的一部分,並且在本發明的精神 和範圍之內。因此,上文的描述僅是示例而不用於限制。本發明僅被所附的權利要求及其 等同物所限制。
權利要求
1.一種用於測量在受具有交流分量的至少一個電源(6)的噪音幹擾的環境中的鐵磁 部件01,23,25)的循環運動的系統,該系統包括對運動的所述部件敏感的至少一個第一磁強計G2,48);所述電源中的電流的圖像(a)的傳感器;用於計算所述電源對所述第一磁強計測量的信號(m,m')產生的噪音(eb6,eb' 6) 的估計值的裝置(8,8');和用於從所述測量的信號中減去所述估計值的裝置G6,46')。
2.根據權利要求1所述的系統,其中所述交流電源(6)中的所述電流的所述圖像是電 源兩端的電壓。
3.根據權利要求1所述的系統,其中所述計算裝置(8,8')包括至少一個威納濾波器。
4.根據權利要求1所述的系統,其中所述磁強計0 被設置得與所述鐵磁部件01, 23)的距離比與任何其它運動的鐵磁部件03)的距離更近。
5.根據權利要求1所述的系統,包括靠近運動的第二鐵磁部件0 設置的至少一個第二磁強計G8);用於計算所述第二鐵磁部件對所述第一磁強計0 測量的信號(m)產生的噪音 (eb48)的估計值的裝置(f48);和用於從所述測量的信號中減去該估計值的裝置)。
6.根據權利要求1所述的系統,其中具有交流分量的所述電源是與車輛(1)的發動機 ⑵相關聯的交流發電機(6)。
7.根據權利要求1所述的系統,其中具有交流分量的所述電源是電動機的交變電流。
8.一種用於估計在受具有交流分量的至少一個電源(6)產生的噪音幹擾的環境中的 至少一個鐵磁部件01,23,2幻的循環運動的方法,該方法包括如下步驟測量至少被所述鐵磁部件影響的磁場(m)的圖像;測量所述電源中的電流的圖像(a);對所述磁場的圖像應用關聯濾波,以消除所述電源的影響。
9.根據權利要求8所述的方法,其中通過使用至少一個第二磁強計08)利用關聯濾波 來消除來自另一個鐵磁部件0 的噪音分量,所述至少一個第二磁強計與所述另一個鐵 磁部件相關聯。
全文摘要
本發明涉及測量鐵磁部件的循環運動的系統和方法。一種用於測量在受具有交流分量的至少一個電源的噪音幹擾的環境中的鐵磁部件的循環運動的系統包括對運動的部件敏感的至少一個第一磁強計;所述電源中的電流的圖像的傳感器;用於計算所述電源對第一磁強計測量的信號產生的噪音的估計值的裝置;和用於從所述測量的信號中減去該估計值的裝置。
文檔編號G01P3/487GK102135546SQ20111002487
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者A·勒戈夫, R·布蘭佩因 申請人:原子能與替代能源委員會